大气复合污染区域调控与决策支持系统研究

文／胡炳清 柴发合 赵德刚 赵金民

摘要：随着经济社会的快速发展和农业现代化、新型工业化、城镇化建设进程的不断加速，我国环境空气呈现复合型、区域性、压缩性污染特征，大气复合污染已经成为我国城市群区域经济可持续发展的制约因素。以基于方案的DSS框架与设计技术为指导，构建并研发了大气复合污染区域调控与决策支持系统，该系统具备区域基本信息管理、区域污染状况评估、动态目标构建、协同控制方案设计、方案优化、各类方案分析评估等功能，并在珠三角进行了示范性应用，对解决我国区域大气复合污染问题、改善环境空气质量具有很强的科技支撑作用。

教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 ：大气复合污染：决策支持系统(DSS)：区域调控：GIS

随着经济社会的快速发展和工业化、城镇化、农业现代化进程的加速，经济粗放式发展引起的能源消耗持续加大，以及机动车保有量的快速增加，导致我国很多地区重度灰霾等极端空气污染事故频发。我国灰霾污染问题日益突出，严重威胁人民群众的身体健康和生态安全，已成为社会各界高度关注和亟待解决的重大环境问题。我国大气环境污染呈现出复合型、区域性、压缩性特征，并以城市为中心向区域蔓延，京津冀、长三角、珠三角、中部和成渝等城市群成为灰霾污染的重灾区，大气复合污染已经成为我国城市群区域经济可持续发展的制约因素。

课题组在国家高技术研究发展计划（863计划）“大气复合污染的区域调控和决策支持技术”(2006AA06A307)课题支持下，以珠三角为研究区域，通过长达6年多研究与开发建立了“大气复合污染区域调控与决策支持系统”平台。平台紧密围绕课题总目标，运用现代计算机技术、数据库技术、软件工程技术、GIS技术、组件技术等高新技术，在基于方案的DSS框架与设计技术的指导下，通过对大气复合污染区域调控与决策支持系统构建与集成技术的研究，科学构建了平台的总体框架，形成了基于方案决策的、GIS无缝集成与支持的、可视化与界面友好的大气复合污染区域调控与决策支持系统平台，为区域大气复合污染防治综合调控与决策提供技术支持，促进区域大气环境质量动态控制目标制定和协同控制战略实施。

总体框架

大气复合污染区域调控与决策支持系统平台的构建与集成的总目标是：集成多种技术，开发界面友好、可视化的大气复合污染区域调控的GIS决策支持平台（软件）。具备区域污染状况评估、动态目标构建、源一受体响应诊断、协同控制方案设计、优化决策、各类方案分析评估和成果管理表达等功能。重点集成城市群大气环境保护目标的确定与量化技术、基于环境容量的城市群大气污染物排放控制总量核算及分配技术、区域源一受体响应的工程化模型、区域大气复合污染控制情景设计技术、基于人类活动为原驱动力的大气复合污染区域调控与决策驱动模型以及环境影响综合评估和控制方案费用效益分析技术。

大气复合污染区域调控与决策支持系统平台的构建与集成技术研究包括：大气复合污染区域调控的协调技术、大气复合污染区域调控与决策支持系统构建技术、大气复合污染区域调控与决策支持系统数据库设计技术、大气复合污染区域调控与决策支持系统驱动技术、大气复合污染区域调控与决策支持系统接口技术、大气复合污染区域调控与决策支持系统集成技术6个方面的技术与研究内容。

图1为大气复合污染区域调控与决策支持系统平台总体框架图。图中展示了平台集成的大气复合污染区域调控与决策的六大关键技术及其模块与数据库、模型之间的关系。

技术路线

根据平台的总体框架、功能需求和最终用户，制定了以工程管理为手段、方案设计为核心、数据库信息为基础、GIS技术为支持、现状与方案分析评估为依据的大气复合污染区域调控与决策支持平台技术路线图（见图2）。

架构体系

大气复合污染区域调控与决策支持系统采用C/S（客户端／服务器端）架构，数据库、重要计算模块等部署在服务器端，而人机操作、GIS组件等部署在客户端。服务器端用于完成与Microsoft SQL Server数据库管理系统交互的核心功能，客户端用于完成数据处理、数据表示以及用户接口功能。服务器端包括服务器端用户界面(User Interface)、服务器端业务流程(Business Process)以及服务器端和客户端通信的接口；客户端包括客户端用户界面(User Interface)、客户端业务流程(Business Process)以及客户端与服务器端通信的接口。平台采用数据层、应用服务层、表示层和人机交互层4层软件体系结构。大气复合污染区域调控与决策支持系统的有效源代码超过15万行，图3为平台客户端主界面，图4为平台客户端菜单结构。

主要功能

对于用户而言，大气复合污染区域调控与决策支持系统的功能主要体现在客户端，它是面向用户、基于真三维GIS（非图片）、集成多项功能的界面友好、操作性强的软件系统。客户端的核心界面包括：登录界面、初始界面、工作界面和各种功能界面。客户端实现了工程管理、方案决策、优化决策、污染状况评估、数据管理、系统管理和地图管理等功能（如图4所示）。以下重点介绍污染状况评估、方案决策和优化决策3个主要功能。

污染状况评估

污染状况评估实现对区域污染现状的综合评估，包括污染源浓度和总量可达性评估、区域和行业总量可达性评估、区域空气质量评估和节能减排评估。

污染源评估用来对基准年污染源的污染物排放浓度和总量进行评估，包括污染源排放浓度达标分析和污染源排放总量达标分析两部分，通过选择控制单元和行业，实现污染源的污染物排放浓度与总量达标分析。

总量达标评估用来对基准年污染源的污染物排放总量以控制单元、行业和整体为标准进行总量达标分析，包括控制单元区域总量达标分析和控制单元按行业区域总量达标分析，实现以控制单元为区域的整个区域和区域内某些行业的总量可达性分析与评估。图5为污染源总量达标分析界面。

空气质量评估用来对现有空气质量监测数据进行分析与评估，通过选择监测点位和污染物指标以及监测数据的时间范围，显示空气质量的变化情况，与相应标准值对比，实现超达标分析。节能减排评估用来对控制单元的单位GDP能耗进行计算和分析。

方案决策

方案决策通过设定目标，从人类经济社会活动出发，设计区域经济增长模式和控制环境污染与改善环境质量的控制策略、形成控制方案，计算方案的污染物排放和控制成本，预测对控制区域的环境质量影响，进一步分析方案实施后的经济、环境等多个方面的效果，综合评价方案的优劣，为多方案的比较分析与辅助决策提供支持。方案决策包括目标设计、方案设计、方案计算、方案分析等功能。

目标设计完成三层次的动态目标设计，包括总目标、子目标及其包含·的指标设计。

方案设计包括增长模式设计、策略设计和方案组合设计。增长模式设计针对不同控制单元的区域差异和特点，分别设计情景变量，每一个控制单元都有一套相同的情景变量集，用户可以改变自身关注的情景变量设计值。策略设计包括空间策略设计、属性策略设计和策略组合设计。空间策略设计和属性策略设计均包括独立策略设计、子策略设计和子策略组合设计。策略组合设计是将空间策略设计和属性策略设计分别形成的空间策略和属性策略进行组合设计，形成策略。方案组合设计是将增长模式设计和策略设计分别形成的增长模式和策略进行组合设计，形成方案。

方案计算是对形成的各种方案进行计算，是决策支持系统的核心功能。方案计算第一根据增长模式在宏观上对控制单元进行预测分析；第二根据策略在微观上对具体控制对象——污染源进行污染物排放量及控制成本的计算；第三协调宏观预测与微观计算的结果，保持方案的合理性和科学性；第四按照空气质量模型的要求，通过网格操作、空间操作和分配方法，将方案生成的污染源源强转化为空气质量模型所需的污染源源强输入文件；第五调用空气质量模型，对方案进行模拟计算，获得方案下的区域污染物空间分布；最后根据空气质量模拟结果进一步对标准指标中规定的各种指标进行分析与计算。

方案分析包括各个方案下污染源分析、空气质量分析、酸沉降分析、健康损害分析、单因子分析、综合评估和通量分析等功能。污染源分析主要实现对不同方案下污染源排放浓度、排放负荷、行业排放负荷和区域（控制单元）排放负荷的统计分析，同时对污染源实施的控制措施、控制成本、控制效果等进行分析。空气质量分析主要得到不同方案下各个控制单元满足空气质量各级标准或空气质量功能区面积，分别获得各个控制单元满足不同标准级别的面积比例，和满足空气质量功能区的面积比例。酸沉降分析主要利用区域酸沉降临界负荷分析各个控制单元满足临界负荷的面积比例。人体健康损害分析主要利用污染与健康的剂量响应关系分析不同方案下各个控制单元因空气质量变化导致的人体健康的损害，并计算由此引起的费用支出。单因子分析主要对目标设计中形成的评估指标体系中的各个指标，利用单因子指数法进行分析评价，在各项指标单因子评价的基础上，统计各个控制单元和整个区域达标和超标的指标情况，进而分析区域与控制单元的限制性因子。综合评估是指对目标设计中设定的目标利用适当的综合评估方法对方案进行综合评估，获得各个方案的综合指数，为多方案决策提供技术支持。通量分析主要对不同方案下的控制单元之间的污染物输送通量进行计算与分析，分别计算垂直方向各层的污染物输入输出，可以有效地表征区域间的互相输送。图6为方案综合分析界面，图7为人体健康损害分析界面。

优化决策

优化决策就是从环境、生态保护目标出发，选择可控制的污染源，提供经济技术可行的控制污染物排放措施建议，建立满足保护目标的经济投入最小或排放量最大的决策模型，通过优化求解，获得满意的优化方案。优化决策过程与方案决策过程恰恰相反，后者是先设计方案，然后对方案进行计算、分析和评估，得到是否满足环境、生态保护要求，在经济上能否接受等结果；前者是后者的逆反过程。方案决策又叫正向决策，优化决策又叫逆向决策。

本系统建立的优化决策模型，以区域控制费用最小为目标，以满足环境、生态保护要求为约束条件。控制的大气污染物指标包括SO2、NO2、PM10、NH3和VOC共5种一次污染物以及O3、PM2.5和Acid Deposition（酸沉降）3种二次污染物。同时，增加了决策变量——控制措施应用水平的技术经济约束条件，即对控制措施的应用水平设置了上、下限。

优化决策包括规划源策略管理、环境目标管理、优化方案管理、优化方案组管理和控制措施管理5个部分。规划源策略管理实现对参与优化计算的污染源（类型）选择与组合形成的规划源的管理。环境目标管理实现对参与优化方案计算的环境保护目标的管理。优化方案管理实现优化方案的创建、修改和删除；结合优化方案下的规划源策略可以实现对控制点基准年规划源浓度、基准年背景浓度和规划源最大削减下浓度的计算；优化方案计算实现对设计形成的规划源与控制点组成的优化方案进行计算，优化方案计算可以对用户自定义的各个控制点的不同改善程度进行个例计算，也可以对一组各个控制点统一改善程度的若干方案（方案组）进行计算。优化方案组管理是在优化方案设计和计算完成的基础上，通过使各个控制点目标改善程度达到一致，形成改善程度在0-1之间的系列值，从而产生以原优化方案为基础的系列方案即优化方案组，实现了统一改善程度下的系列方案的计算，从而可以实现在不同改善程度下的费用、排放量等比较分析。控制措施管理是指从平台统一数据库中产生优化决策所需的控制措施，控制措施包括单一的控制措施和组合的控制措施；所谓组合控制措施就是对某种主要污染物进行全过程控制的合理的单一控制措施的组合。图8为优化方案组不同改善率时的控制成本图。

结语

大气复合污染区域调控与决策支持系统是一套能够为城市、城市群和区域的大气复合污染防治提供科学调控与决策的工具，辅助科研人员和管理决策者进行预测性的多方案分析与比较，制定区域短期（一年）、中期和长期的大气复合污染综合防治规划或行动计划，为区域多污染协调控制和联防联控提供技术支撑。大气复合污染区域调控与决策支持系统完全自主研发，拥有全部知识产权（编号：软著登字第0286376号）。2014年夏天作为重点项目参加了科技部主办的“协同创新，应对挑战——京津冀在行动”科技专题展。本系统在珠三角进行了示范性应用，取得了良好的效果。目前，本系统的研发又得到了2015年国家科技支撑项目的大力支持，可以预期经过未来两年多的升级与完善，其功能将更加强大、性能将更加优异，真正实现系统的业务化运行，为我国大气复合污染的控制、管理和决策提供技术支持平台，具有良好的推广应用前景。

主要教育期刊网 http://www.jyqkw.com
参考文献

[1]袁海键．打好防治大气复合污染持久战[N]．中国环境报，2013-10-21.

[2]王淑兰，云雅如，胡君，等．情景分析技术在制定区域大气复合污染控制方案中的应用研究[J]．环境与可持续发展，2012(4)：16-22．

[3]岳珍，赖茂生．国外“情景分析”方法的进展[J]．情报杂志，2006(7)：61-62，66．

（胡炳清系中国环境科学研究院研究员；柴发合系中国环境科学研究院副院长、研究员；赵德刚、赵金民，中国环境科学研究院。柴发合系通讯作者）